12/1 Genetik und Immunbiologie I. Genetik 1. Grundlagen...............................................................................................................................2 2. Cytogenetik...............................................................................................................................2 2.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information .........................................................2 2.1.1 Feinbau..................................................................................................................2 2.1.2 Chromosomen des Menschen.................................................................................3 2.2 Die Zellteilung .....................................................................................................................3 2.3 Bildung von Geschlechtszellen und Geschlechtsentwicklung................................................4 2.3.1 Die Keimbahn ...............................................................................................................4 2.3.2 Meiose...........................................................................................................................4 2.3.3 Vergleich: Meiose – Mitose (siehe AB) .........................................................................4 2.3.4 Oogenese & Spermatogenese.........................................................................................5 2.3.5 Geschlechtsbestimmung beim Menschen.......................................................................5 2.3.6 Geschlechtsdifferenzierung............................................................................................6 3. Klassische Genetik ...................................................................................................................7 3.1 Begriffe................................................................................................................................7 3.2 Historisches..........................................................................................................................7 3.3 Monohybrider Erbgang ........................................................................................................7 3.4 Dihbrider Erbgang................................................................................................................9 3.5 Der statistische Charakter der Vererbungsregeln.................................................................10 3.5.1 Modellversuch: zufällige Kombination der Gene .........................................................10 3.6 Die Chromosomentheorie d. Vererbung..............................................................................10 3.6.1 Allgemeines ................................................................................................................10 3.6.2 Genkopplung ...............................................................................................................10

1

I. Genetik 1. Grundlagen -Def.: Vererbung ist die Weitergabe von genetischer Information (=Erbanlagen) von Generation zu Generation. -Grundbegriffe: Mutanten

Individuen, die Träger mutierter Gene sind

Modifikationen

umweltbedingte Änderungen im Phänotyp, die nicht auf Mutationen zurückgeführt werden können ( nicht weitervererbt)

Mutation

plötzliche Änderung einer Erbanlage (weitervererbt)

Phänotyp

Gesamtheit aller Merkmale eines Individuums

Phäne

die aufgrund von Erbanlagen ausgeprägten Merkmale

Genotyp

Gesamtheit aller Erbanlagen

-Fragestellungen: -Formale G. (Mendel-G.) -Cytog. -Molekularg. -Populationsg. -Evolutionsg.

Klassische Genetik

2. Cytogenetik 2.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information Chromosomen sind gut anfärbbare, fadenförmige Gebilde, die nur während der Zellteilung sichtbar sind.(griech.: chromatos = Farbe; soma = Körper) „Chromatingerüst“ im nicht spiralisiertem Zustand genannt 2 Schwesterchromatiden

2.1.1 Feinbau

(ident. Erbgut)

sekundäre Einschnürung Zentromer (Kinetochor)

Einschnittstelle, Spindelfaseransatzstelle

Banden aus

Zellteilung Mitose

unterschiedl. dicht gepackter DNS

Zwei-Chromatid-Chromosom

2

Ein-Chromatid-Chromosom

2.1.2 Chromosomen des Menschen Erstellung eines Karyogramms: -

Teilungsaktive Zellein (weiße Blutkörperchen) in besonderes Nährmedium Stoppen d. Zellteilungn durch Zugabe von Cholchizin (Herbstzeitlose; während Metaphasestadium) Zugabe von dest. H2O Quellen d. weißen Blutkörperchen (Osmose) Fixieren (Verfestigen) d. Chromosomen durch Eisessig + Methanol Auftropfen auf Objektträger Aufplatzen Anfärben und bei Vergrößerung fotographieren Aus vergrößertem Bild ausschneiden und sortieren

♀ Körperzelle 46, XX ♂ -„46; XY

46 Chromosomen | | 44 Autosomen 2 Genosomen

Der Mensch besitzt einen diploiden (= doppelten) Chr.satz (2n=46; n=23 Chr.). Geschlechtszellen enthalten nur einen haploiden (= einfachen) Satz. Bei der Veschmelzung der Kerne von Sperma und Eizelle entsteht die diploide Zygote.

2.2 Die Zellteilung Jede Körperzelle eines vielzelligen Lebewesens ist genetisch omnipotent (Jede Zelle enthält die gesamte genetische Information, obwohl sie nicht komplett realisiert wird.).

Der Zellzyklus: I. 1. 2. 3.

Interphase (Chromationgerüst) G1 – Phase (gap: Lücke): Realisierung d. genet. Information (Proteinbiosynthese) S – Phase (Synthese): DNS – Synthese und Verdopplung d. Ein-Chromatid-Chromosomen G2 – Phase: Ruhestadium

II. 1.) 2.) 3.) 4.)

Mitose (=Kernteilung) Prophase: allmähliche Spiralisierung, Kernkörperchen/-membran lösen sich auf Metaphase: am engsten gepackte Chr. ordnen sich in Äquatorialebene an, Kontakt zu Zellpol Anaphase: Chromatiden
Pol Telophase (telos: Ziel): neues Kernkörperchen, neue Membran
Teilung

Biologische Bedeutung:
Tochterzellen mit identischer Erbinformation wie Mutterzelle
artspezifische Anzahl d.Chromosomen bleibt erhalten Sonderform d. Mitose: Endomitose Im Interphasekern erfolgen ca. 10 aufeinanderfolgende Synthesephasen ohne Zellteilung
Zellen mit vielfachen Chromosomensätzen - Spiralisierte Bereiche an gl. Stellen
dunkle Bande - Aufgequollene Bereiche (= puffs)
hohe Genaktivität Biologischer Sinn: viele homologe Chr.
hohe Stoffwechselaktivität

3

2.3 Bildung von Geschlechtszellen und Geschlechtsentwicklung 2.3.1 Die Keimbahn Zellen, die das Leben in die nächste Generation weitertragen, sind potentiell unsterblich, man nennt sie Keimbahnzellen. Die Zellenfolge von befruchteter Eizelle über Urkeimzelle bis zur Keimzelle nennt man Keimbahn. Körperzellen (2n) Zellen der Keimbahn (2n)

Zygote (2n)

Kernphasenwechsel

Geschlechtszellen (n)

Urkeimzellen (2n)

MEIOSE

Gameten (n)

2.3.2 Meiose - Reduktion des Chromosomensatzes (diploid
haploid) während der Gametenbildung - Rekombination des genetischen Materials: a) Crossing Over (Chiasmabildung während Prophase I ) (= Intrachromosomale Rekombination) b) zufällige Verteilung der homologen Chromosomen während der 1. Reifeteilung (= Interchromosomale Rekombination) Kombinationsmöglichkeiten bei n Chromosomenpaaren: Allg.:

2n

Mensch: n = 23
8 388 608

Vorteile der Neukombination: - Ausschalten von Krankheiten - Mutationen (ohne Meiose keine Evolution!!!)

2.3.3 Vergleich: Meiose – Mitose (siehe AB) Mitose überall im Körper im teilungsfähigen Gewebe Vorkommen Dauer Funktion Ablauf

20 min – 4 Std. Wachstum, Erzeugung, Aufrechterhaltung der gesamten genet. Information Eine Teilung, kurze Prophase Trennung von Chromatiden in der Anaphase

Ergebnis

Bildung von 2 genet. Identischen diploiden Tochterzellen 2n 2n 2n

4

Meiose beim diploiden Organismus in den Geschlechtsorganen 4 Std. – viele Jahre * Reduktion des Chr.satzes von 2n auf n * Durchmischung des Erbgutes Zwei aufeinanderfolgende Teilungen, lange Prophase (crossing over) Trennung von homologen Chr. in der Anaphase I Bildung von (4) genetisch nicht identischen, haploiden Keimzellen n n 2n n n n n

2.3.4 Oogenese & Spermatogenese Oogenese

Spermatogenese

Urgeschlechtszellen 2n

Oogonien

Spermatogonien

(Ureizellen): n

(Ursamenzellen): 2n

Oozyten 1. Ordnung: 2n

Spermatozyten 1. Ordnung: 2n

Oozyte 2. Ordnung + 1 Polzelle: n

2 Spermatozyten 2. Ordnung: n

4 Spermatiden n Reifei (Ovulum) + 3 Polzellen 4 Spermien unbeweglich, plasmareich

beweglich, plasmaarm Zeitpunkt und Ort:

♂:

kontinuierlich ab Beginn der Geschlechtsreife bis ins hohe Alter (Ort: Hodenkanälchen)

♀:

alle Urkeimzellen entwickeln sich bis zum 6. Fetalmonat bis zur Prophase I. Während des Menstruationszykluses entwickeln sich einzelne Oozyten zu Eizellen. 1. Reifeteilung: Kurz vor dem Eisprung 2. Reifeteilung: Während Wanderung im Eileiter

2.3.5 Geschlechtsbestimmung beim Menschen

44 + XX

44 + XY

Tatsächliches Geburtenverhältnis: 106 : 100 Gründe: - Y-Spermien sind leichter
schneller - Y-Spermien haben kleinere Köpfe
leichteres Eindringen

22+X

22 + X

22+Y

44 + XX 1 homogametisch

5

:

44 + XY 1 heterogametisch

2.3.6 Geschlechtsdifferenzierung Die Information über die Ausprägung der primären und sekundären Geschlechtsmerkmale liegen bei jedem Menschen auf den Autosomen verteilt (bisexuelle Potenz). Die Gonosomen steuern die Verwirklichung der Information. Gonadenanlage Hoden

♂

ANDROGENE

Oviduktrepressor

Mark Rinde ÖSTROGENE Eierstöcke (Ovarien)

♀

♂ Geschlechtsmerkmle

♀ Geschlechtsmerkmale

Störungen: 1.) Echte Hermaphroditen (= Zwitter, Intersexe) Fehlerhaftes Y-Chromosom -> unvollständiger Determination d. männlichen Entwicklung, Hoden- und Eierstockgewebe entwickeln sich gleichzeitig. -> sind unfruchtbar 2.) Pseudohermaphroditen (= Scheinzwitter, testikuläre Feminisierung) viel häufiger Gendefekt auf X-Chromosom -> Bildung von Androgenrezeptoren nicht möglich, XY-Individuum, aber phänotypisch und im Gefühlsleben Frauen. Sie besitzten männlich entwickelte Muskulatur -> Vorteil im Hochleistungssport (Sex-Test 1976) Sex-Test: Zellen d. Mundschleimhaut oder Haarwurzeln werden angefärbt, bei Frauen ist das 2. XChromosom immer kontrahiert und genetisch inaktiv (=Barr-Körperchen). Lyon-Hypothese: Barrkörperchen sind genetisch inaktivierte, nicht entspiralisierte X-Chromosome.

6

3. Klassische Genetik 3.1 Begriffe Erbanlage (=Erbgfaktor, DNA-Abschnitt) Genotyp: versch. Zustände eines Gens Phänotyp:

Gen: Allel:

Erbbild, Allelkombination Erscheinungsbild

Homologe Genorte je Allel

Symbole/Schemata:

A A homozygot

A a heterozygot -> Hybride, Bastarde

P Parentalgenerationen, Elterngeneration F1,F2 Filialgeneration 1,2 3.2 Historisches Johann Gregor Mendel (S.16) (*1822, +1884) Erste exakte, auf Expertimenten beruhende Vererbungslehre, Gesetzmäßigkeiten bei d. Weitergabe von Merkmalen „Versuche über Pflanzenhybride“ ca.:

1900 - Correns prägte Begriff „Mendelsche Regeln“ 1903 - Boveri, Sutton: Chromosomentheorie der Vererbung 1910 - Morgan: Dorsophila-Expertimente (Gene, Genkopplung) ab 1928 - DNA-Analyse (Watson & Crick 1953)  Molekulargenetik

3.3 Monohybrider Erbgang monohybrid: 1 alternierendes Merkmalspaar *

Rasse: Mitglieder e. R.

a) dominant-rezessiver Erbgang

können sich untereinander paaren; Untergruppe der Art

*

Kreuzung homozygoter Rassen , z.B.: Samenfarbe G = gelb; g = grün (rezessiv) ♀

X

♂ GG

P

gg

X

R! G

F1

Gg

G Gg

g Gg

7

g Gg

Kombinationsquadrat G G g Gg Gg g Gg Gg

Hybride d. F1-Generation sind stets gleich, auch bei rezibrocker Kreuzung. Rezibroke Kreuzung: Genotypen der Geschlechter der Eltern wird vertauscht. b) intermediärer Erbgang Keines d. beiden Allele ist dominant oder rezessiv.
F1-Hybride zeigen Mittelstellung zw. d. beiden Merkmalen. z.B.: Blütenfarbe d. Wunderblume

a: rot;

P

b: weiß

bb

R!

b

F1

ab

aa b

a

ab

a

ab

ab

1. Mendelsche Regel: Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der F1-Generation im betrachteten Merkmal gleich (= uniform). Die gilt auch bei rezibroker Kreuzung. = Uniformitätsregel c) Kreuzung d. F1-Hybriden untereinander

F1 R!

Gg

G

Gg

g

G

a b

g

intermediär a aa ab

b ab bb

F2 GG Genotyp Phänotyp

Gg

Gg

gg

1 : 2 :1 3 :1

weiß : rosa : rot 1 : 2 : 1

2. Mendelsche Regel: Kreuzt man die Mischlinge der F1-Generation untereinander, so spalten sich die Merkmale in der F2-Generation in einem ganz bestimmten Verhältnis auf: dominant-rezessiv: 3:1 intermediär: 1:2:1 = Spaltungsregel

8

d) Rückkreuzung Um herauszufinden, ob der Träger eines dominanten Merkmals rein- oder mischerbig ist, kreuzt man ihm mit dem rezessiven Elter.

P R!

Gg

G

F1

X

gg

g

Gg

GG

g

Gg

gg

g

G

gg

Gg

X

gg

G

Gg

1 : 1

g

Gg

g

Gg

uniform (alle heterozygot)

3.4 Dihbrider Erbgang dihybrid: 2 alternierende Merkmalspaare;

z.B.: Samenfarbe und –form (rund, kantig)

A: gelb ist dominant über a: grün (rezessiv) B: rund ist dominant über b: kantig (rezessiv)

P R!

AABB

AB

F1

AaBb

X

aabb

AB

AaBb

ab

AaBb

F2 ab

AaBb

AB Ab

AaBb

 Uniformitätsregel auch für dihybriden Erbgang

aB

AaBb

ab AB Ab aB

ab

AB

aB

Ab

ab

AB

AABB

AaBB

AABb

AaBb

aB

AaBB

aaBB

AaBB

aaBb

Ab

AABb

AaBb

AAbb

Aabb

ab

AaBb

aaBb

Aabb

aabb

9 : 3 : 3 : 1

3. Mendelsche Regel: Kreuzt man zwei Individuen, die sich in zwei oder mehr Merkmalen reinerbig unterscheiden, so können die einzelnen Gene bei der Gametenbildung getrennt werden und bei der Befruchtung in neuer Kombination zusammentreten. = Unabhängigkeits-/Neukombinationsregel

9

3.5 Der statistische Charakter der Vererbungsregeln 3.5.1 Modellversuch: zufällige Kombination der Gene m1

A a Keimzellenbildung A AA Aa + Kombinieren: Befruchtung a Aa aa Phänotyp A: 75% Phänotyp a: 25% 60/20 Je öfter der Versuch durchgeführt wird, desto eher erfolgt ie Annäherung an den erwarteten Wert. m2

1. Münze werfen: 2. Münze werfen:

3.5.2 Wahrscheinlichkeitsvorraussage z.B.: Phenylketonurie (Stoffwechselerkrankung) -> homozygot-rezessives Allelenpaar:

Eltern gesund, 1. Kind krank

- Wahrscheinlichkeit, dass 2. Kind gesund? P Aa x Aa -> Kind: K1 = aa
75% gesund [vgl. Schema 3.5.1] (Wahrscheinlichkeit hat kein Gedächtnis) - Wahrscheinlichkeit, dass Eltern, die sich 3 Kinder wünschen, 3 gesunde Kiner bekommen? P (Zusammentreffen unabhängiger Ereignisse) = Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten P (3 gesunde Kinder) = 0,75 * 0,75 * 0,75 = 0,42 - Wahrscheinlichkeit, dass utner 2 Kindern 1 gesundes ist? P (Zutreffen des einen oder anderen sich ausschließenden Ereignisses) = Summe d. Einzelwahrscheinlichkeiten P (1 gesund, 1 krank) = 0,75 * 0,25 + 0,25 * 0,75 = 0,375 3.6 Die Chromosomentheorie d. Vererbung 3.6.1 Allgemeines Die Erkenntnisse der Zelluntersuchungen des 19. Jhd. ließen sich den Ergebnissen der Kreuzungsversuche wiederspruchslos zuordnen (-> siehe AB). 3.6.2 Genkopplung Thomas Hunt Morgan (1866–1945): Arbeit mit Tau- oder Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster)
schnell vermehrbar
hat nur 4 versch. Chr.
zeigt Mutanten leicht Allele der Phhänotypen der wildlebenden Fruchtfliegen (=Wildtypen) sind Wildtypallele Kennzeichnung: + oder Großbuchstaben Mutierte Allele: Abkürzung der englischsprachigen Bezeichnung z.B.: vg vestigial Stummelflügel b black schwarz

10

Bsp.: Wildtyp

X

blvg – Mutante

P

B V

b v

B V

b v

R!

G

B V

b v


kann nur ein Gamet, da auf gl. Gen…

F1 B V

b v

uniform

! Liegen die Anlagen gekoppelt vor, gilt die 3. Mendelsche Regel nicht! -

gekoppelte Anlagen werden gemeinsam weitergegeben in d. F2-Generation erfolgt bei dihybridem Erbgang eine Aufspaltung: genotypisch : 1 : 2 : 1 phänotypisch: 3:1

 alle Gene auf demselben Chromosom bilden eine Kopplungsgruppe (Mensch: 23) Rückkreuzung: heterozygotes Tier aus F1-Generation mit rezessivem Elter gekreuzt:

Gekoppelter Erbgang beim Menschen: Rot-Grün-Blindheit und Bluterkrankheit auf X-Chr.: Möglichkeiten d. Krankheitsübertragung: (Konduktorin)

11

3.6.3 Genaustausch ( = Kopplungsbruch) ..................................................................................................13 3.6.4 Genkartierung....................................................................................................................................13 3.7 Erbgänge beim Menschen ........................................................................................................................13 3.7.1 Vererbung d. Blutgruppen und d. Rhesusfaktors ..............................................................................13 3.8 Erbkrankheiten beim Menschen...............................................................................................................15 3.8.1 Definition / Übersicht........................................................................................................................15 3.8.2 Numerische Chr.-abberation .............................................................................................................15 3.8.4 Genmutation ......................................................................................................................................17 3.8.5 X-chromosomal – rezessive Erkrankheit...........................................................................................17 3.9 Genetische Familienberatung...................................................................................................................18 4. Molekulare Genetik........................................................................................................................................18 4.1 Historisches ..............................................................................................................................................18 4.2 Die Nukleinsäuren: chem. Aufbau und Struktur ......................................................................................19 4.3 Bakterien & Viren als Forschungsobjekte................................................................................................21 4.4 Bau & Bedeutung v. Proteinen.................................................................................................................23 4.5 Der molekulargenetische Genbegriff .......................................................................................................13 4.6 Proteinbiosynthese ...................................................................................................................................14 4.7 Genmutation.............................................................................................................................................16 4.8 Regulation d. Genaktivität........................................................................................................................17 5. Aspekte der Gentechnik .................................................................................................................................18 5.1 Gewinnung von gentechnisch veränderten Bakterien ..............................................................................18 II. Immunbiologie ..................................................................................................................................................18 1. Allgemeines ...............................................................................................................................................18 2. Das Immunsystem des Menschen ..............................................................................................................19 3. Die Antikörper ...........................................................................................................................................20 3.1 Bau eines Antikörpers.........................................................................................................................20 3.2 Antigen – Antikörper-Reaktion...........................................................................................................20 4. Impfung......................................................................................................................................................21

12

3.6.3 Genaustausch ( = Kopplungsbruch) Durch Crossing Over in der Meiose können die gekoppelten Gene getrennt, also entkoppelt werden. Es findet ein Genaustausch statt ( = Rekombination gekoppelter Gene). Crossing Over

R! Ä!

Kopplungsbruch

2-ChromatidChromosom

Neukombination der Gene

Den Prozentsatz von Nachkommen MIT Genaustauch bezogen auf die Gesamtzahl der Nachkommen bezeichnet man als Austauschwert (= konst.). Austauschwerte zwischen 2 Genen können als relative Maßzahl für den Abstand dieser Gene im Chromosom angesehen werden. Die genaue Lage e. Gens auf e. Chromosom nennt man Genort oder Genlocus. 3.6.4 Genkartierung Zur Aufstellung von Genkarten nimmt man d. Austauschhäufigkeiten in Prozent als Wert für d. linearen Abstand. 1% = 1 map unit = 1 mu = Kartierungseinheit (= 1 Centi Morgen = 1 cM) Austauschwerte zwischen: b und vg: vg und l:

18 % 5%

b l vg l -> zwei Möglichkeiten


3 Austauschwerte müssen bekannt sein ( = Dreipunktalalyse)

3.7 Erbgänge beim Menschen Methoden:

- Stammbaumanalyse - populationsgenet. Untersuchungen

- Zwillingsforschung - biochemische Verfahren

3.7.1 Vererbung d. Blutgruppen und d. Rhesusfaktors a) Zusammensetzung des Blutes Blut (5 – 7 l) Blutplasma 56 %, gelblich - Wasser - Eiweiße - gelöste Salze - Blutfette / -zucker - Gase - Hormone

Erythrozyten (rote Blutkörperchen) 50 mil / mm3 Gase Blutgruppensystem

Blutzellen Trombozyten (Blutblättchen) 5 – 800 /mm3 Wundverschluss

13

Leukozyten (weiße Blutkörperchen) Immunsystem

b) ABO-System 4 klassische Blutgruppen: A, B, AB, O Die Bildung bzw. das Fehlen der Antigene (Kohlenhydraht-Kette) auf Erythrocyten-Oberfläche wird von einem Genort gesteuert. An ihm kann entw. d. Allel A, B oder O liegen: -> 3 versch. Allele -> multiple Allele Die Allele A und B verhalten sich gegenüber O dominant, sind nebeneinander aber kodominant also intermediär. Blutgruppe bzw. Antigene der BK „Phänotyp“ A B AB 0

Genotyp AA, A0 BB, B0 AB 00

Antikörper im Blutserum Anti-B Anti-A keine Anti-A + Anti-B

Verklumpung der Blutkörperchen mit Testserum Anti – A Anti - B x x x x -

Antigene führen in einem fremden Organismus zur Bildung von Antikörpern -> Immunreaktion Blutgruppenbestimmung (Agglutinationsreaktion): Antikörper können nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Antigene binden -> Verklumpung Durchführung: Blut d. Testperson (Antigene) Beobachtung der Verklumpung siehe Tabelle Anti-A

Anti-B

Anti-A + Anti-B

Die Antikörper d. Spenderblutes spielen im fremden Organismus wegen des starken Verdünnungsfaktors keine Rolle.

0 A

B AB

c)

Universalspender

Universalempfänger

Das Rhesus-System

Antigen D = Rhesusfaktor Genotyp DD, Dd -> rhesuspositiv Rh+ Genotyp dd -> rhesusnegativ rhRhesusverträglichkeit: Gelangen Blutkörperchen mit d. Merkmal D in die Blutbahn e. rhesusnegativen Menschen, kommt es zur Bildung von Antikörpern Anti-D (=Sensibilisierung) Problem:

Schwangerschaft e. rh- - Mutter, wenn ihr Kind Rh+ ist.

1. Schwangerschaft: bei d. Geburt treten Antigene d. Kindes in d. Blutbahn d. Mutter -> Sensibilisierung 2. Schwangerschaft: Kind evtl Rh+ -> Verklumpung -> Agglutination bei Geburt (Blutaustausch) Behandlung:

Spritze mit Antikörpern Anti-D zerstören übergetretene Blutkörperchen -> Sensibilisierung wird verhindert

14

3.8 Erbkrankheiten beim Menschen 3.8.1 Definition / Übersicht Def.:

Alle an Nachkommen weitervererbbare körperliche u. geistige Annomalien aufgrund defekter Gene od. Gengruppen.

Mutationen Genmutationen 1 Gen betroffen: Punktmutation

strukturelle Chr.-abber. ->Chromosomenmutation (Veränderung d. Chromosomenaufbaus)

Chromosomenabberationen numerische Chr.-abber. -> Genommutation Aneuploidie Euploidie betrifft einzelne Chr. betrifft ganzen Chr.satz | | autosomal gonosomal

3.8.2 Numerische Chr.-abberation

Syndrom: Krankheit, die erst bei gekoppelten Symptomen besteht

a) autosomal z.B.: Trisomie 21 (Down-Syndrom) Symptome : kleinere gewachsen - schräggestellte Augen mit Augenfalte - kurze Nase mit flacher Nasenwurzel - recht rundliches Gesicht - Kopf mit fl. Hinterhaupt - besonders dicke Zunge (Mund meist offen) - Finger oft ziehmlich kurz - geistig unterentwickelt (IQ 40 – 70), ~6-7 jährig - erhöhte Infektionsanfälligkeit - Fehlbildung - innerer Organe Entstehung d. Down-Syndroms:

1.)

Freie Trisomie (95%): spontan

Nondisjunction (Meiosefehler, Nichttrennung) des Chr. 21: - in der Reduktionsteilung N!

XX

Ä!

XX

| |

| |

- in der Äquationsteilung X |

XX

R!

X

N!

|

| |

| 15

Häufigkeit in Abhängigkeit vom Alter der Mutter: 20 Jahre 30 35 40 45

2.)

1 : 2000 1 : 1000 1 : 600 1 : 100 1 : 50

Translokationstrisomie (5%)

Bei den Chromosomen 13, 14, 15, 20, 21 ist das Zentromer stark zu einer Seite verschoben. Manchmal kommt es zu einer Fusion (z.B.: 14 + 21) im oder unmittelbar neben dem Zentromer unter Verlust (= Deletion) des jeweils kurzen Chromatidenabschnittes.
45 Chromosomen in der Körperzelle, Trisomie erst beim Kind 14 21

gesund

14

Monosomie (-> Tod)

(14+21) 21

Trisomie 21

(14+21)

balanciert, phän: gesund

b) gonosomal Gon. num. Chr.-abber. haben weitaus geringere hänotypische Auswirkungen als autosomale (Hauptsächlich Beinträchtigung v. Sexualentwicklung u. Intelligenz). Grund:

- Y-Chr. relativ genarm - Inaktivierung überzähliger X-Chr. -> Barr-Körperchen

Entstehung:

Ein oder mehrere Nondisjunction-Ereignisse in R! und / oder Ä! bei der Bildung von Eibzw. Samenzelle.

1. ) Turner – Syndrom (45, X0): phänotyp. weiblich - normale Intelligenz - Kleinwuchs (1,15 – 150 m) - rel. kurzer, dicker Hals - unfruchtbar (Geschlechtsorgane infantil (!)
v. Alter & Geschlecht d. Eltern unabhängig 2.) Kleinfelter – Syndrom (47, XXY): phänotyp. männlich - relativ groß - etw. dicker - weibl. Züge (Brustansatz, breiteres Becken) - unfruchtbar - Intelligenz leicht reduziert

16

3.8.4 Genmutation a) autosomal – dominantes Erbleiden Kennzeichen:

Bsp.:

- Genotypen AA krank, Aa krank, aa gesund - Vererbung unabhängig vom Geschlecht - Auftreten eines Merkmalsträgers in einer gesunden Familie beruht auf einer Neumutation

Marfan – Syndrom: mutiertes Gen A –> fehlgebildetes Protein -> übermäßig elastische Bindegewebsfasern -

deformierte Augenlinse –> Sehstörungen überlange Zehen überdehnte Aorta überlange Gliedmaßen und „Spinnenfinger“

Polyphänie: Ein Gen beeinflust die Ausprägung von mehreren Merkmalen variable Genexpression: Symptome können bei versch. Personen untersch. stark ausgeprägt sein. weitere Bsp.e: Chorea Huntington

-

erbliche Knochenbrüchigkeit Vielfingrigkeit

b) autosomal – rezessives Erbleiden Kennzeichen:

-

Bsp.:

Merkmalsträger: aa Vererbung unabhängig vom Geschlecht phänotyp. Gesunde können Überträger (Aa) sein Auftreten v. Merkmalsträgern in gesunden Familien kann darauf beruhen, dass das mutierte Allel über Generationen hinweg verdeckt weitergegeben wird. relative Häufung v. Merkmalsträgern bei Verwandtenehen (Wahrscheinlichkeit, dass beide heterozygot sind, viel größer)

Phenylketonurie (PKU) spektroskopische Blutuntersuchung bakterieller Test (Guthrie – Test): Blut auf rundes Filterpapier, dies wird auf e. mit Bakterien best. Nährboden gelegt, diese können kein Phenylalanin herstellen -> Phenylalanin vorhanden: Bakterien wachsen um das Filterpapier

Nachweis:

-

Therapie:

phenylalaninarme und tyrosinreiche Diät (solange fortpflanzungsfähig)

weitere Bsp.e: Mukoviszidose Galactoseämie

-

Albinismus Sichelzellenanämie

3.8.5 X-chromosomal – rezessive Erkrankheit Kennzeichen:

- defektes Gen auf X-Chromosom - Mehrzahl d. Merkmalsträger männlich - erkrankte Männer vererben d. defekte Gen nur an Töchter (wenn Sohn krank: Mutter XAXa) hemizygoter Zustand gesund

♂:

XaY: XAY:

Bsp.:

Bluterkrankheit

♀:

Xa Xa: XAXa: XaXa:

krank Konduktorin gesund

Blutgerinnung stark verzögert -> schon geringfügige Verletzungen können zu flächenhaften Blutungen führen 17

Therapie:

Fehlender Faktor muss alle 2 – 3 Tage ins Blut injiziert werden.

weitere Bsp.e:

- Rot – Grün – Blindheit - Muskeldystrophie Duchenne - Fischschuppenhaut

3.9 Genetische Familienberatung Ziele:

- bestmgl. Betreuung erbkranker Menschen - Risiko in e. speziellen Situation / e. Kind mit e. best. genet. Defekt zu erhalten

Methoden: a) Stammbaumanalyse: Zusammenstellung d. erbbedingten Erkrankungen in d. Familien d. Ratsuchenden (= Familienanamnese)
Stammbaumanalyse mit best. Wahrscheinlichkeitsvoraussage b) Heterozygotentest:

Bei relativ vielen Erbkrankheiten können heterozygote Genträger rezessiver Erbleiden biochemisch nachgewiesen weren (z.B.: PKU, Bluterkrankheit, Mukoviszidose)

4. Molekulare Genetik 4.1 Historisches 1928 Griffith: riffith Transformationsversuch Versuch mit 2 Stämmen der Bakteriengattung Pneumocucus. R-Stamm

S-Stamm (smooth = glatt): Zellwand bildet Schleimkapsel, tödl. Lungenentzündung bei Mäusen R-Stamm (rough = raus): keine Schleimkapsel, nicht pathogen Gemisch beider

↓ Injektion

S-Stamm (hocherhitzt) ↓

lebend

lebend

tödlich lebende Pneumokokken (S-Stamm) im Körper

↓

R-Stamm kann bei Anwesenheit von S-Stamm in S-Stamm transformiert werden.

1944 Avery: Avery chem. Natur des „transformierenden Prinzips“ -> DNA S-Stamm

zellfreies Extrakt

pathogen

(enthält DNA, RNA, Eiweiße)

unverändert DNA zerstört RNA zerstört Eiweiße zerstört

Kapselbildung † keine Kapselbildung, lebend Kapselbildung † Kapselbildung †

DNA ist Träger d. Erbinformation ( = universelle Erbsubstanz). Transformation:= Übertragung v. genet. Information durch reine, isolierte DNA v. e. Zelle auf d. andere

18

4.2 Die Nukleinsäuren: chem. Aufbau und Struktur 4.2.1 Bausteine der Nukleinsäuren DNS/DNA:

Desoxyribo|nukleinsäure (-acid) Zucker

RNS/RNA:

Phosphatrest

Ribo|nukleinsäure (-acid)

Bausteine aus 3 Stoffklassen: - Zucker

- Desoxyribose - Ribose

- Phosphatsäure, Phosphat

H3PO4

- 4 versch. org. Basen Adenin, Guanin
Purinbasen (Grundgerüst aus e. Sechser- und e. Fünferring) Thymin, Cytosin
Pyrimidinbasen (Grundgerüst aus e. Sechserring) RNA: Uracil statt Thymin Grundbausteine der DNA sind Nukleotide Cytidinmonophosphat Adenosin Guanosin Thymidin -

- CMP - AMP - GMP - TMP

Das DNA-Molekül besteht aus e. großen Anzahl v. Nukleotiden. Verknüpfung d. Nucleotide: Base

5´

Immer ein C-5 Atom eines Zuckermoleküls ist über e. Phosphorsäuregruppe mit d. C-3 Atom d. nächsten Zuckermoleküls verknüpft. Die Reihenfolge der 4 Basen (= Buchstaben der genet. Alphabets) kodiert d. Erbinformation (= Primärsturktur der DNA). Die DNA-Kette besitzt e. best. Richtung, 5´->3´, eine Verlängerung erfolgt nur am 3´- Ende.

3´

4.2.2 Struktur der DNA – Chargaff (1951): chem. Analyse von DNY-Proben aus versch. Organismenarten Es gilt immer:

5´

c(A) : c (T) = 1 : 1 c(G) : c (C) = 1 : 1

19

-A -C -C -T -G

TGGAC-

Leiter

3´

-- Holme

4.2.3 Die Verdopplung (Replikation) der DNA (AB) Vor jeder Zellteilung muss e. identische Verdopplung d. Erbsubstanz erfolgen. Klärung d. Mechanismus (Meselson & Stahl), Isotopenmarkierungsversuche: Sie züchteten E. Coli – Bakterien auf e. Medium mit 15NH4Cl als Stickstoffquelle. Nach einiger Zeit (Teilungs-/Verdopplungszyklen) befand sich in den Bakterien 15N-DNA („schwere“ DNA)
spezifisches Gewicht erhöht. DNA mit 15N/14N können durch Ultrazentrifugation (in CsCl-Lsg.) unterschieden werden. Bakterien mit 15N-DNA wurden in 14N-haltiges Medium überführt. Nach je e. Generationszyklus erfolgte Probennahme und Untersuchung: unmittelbar nach Einbringen in 14N-Medium

14

15

N

N

nach 1. Replikation 14

N/15N

14

N/15N

14

N/15N

nach 2. Replikation 14

N/15N

14

N/14N


semikonservativer Mechanismus DNA-Polymerase kann nur in 3´ -> 5´- Richtung d. Muster d. DNA-Stranges vorrücken, kann nur 5´-> 3´- Richtung synthetisiert werden. Helicase

öffnet & entwindet DNA, „rutscht“ entlang, trennt Wasserstoffbrückenbdg.en, -> beide Stränge werden entschraubt und auseinandergeschoben.

DNA- Polymerase Ligase

- baut freie Nukleotide jeweils an d. komplementären Basen, - andere DNA-Polymerase korrigiert Fehler

schließt Lücke; Bausteine werden durch Ligasen zum Einzelstrang verknüpft. Die notwenige Energie liefert d. Abspaltung von zwei Phosphatgruppen aus den Nukleosidtriphosphaten.


Replikation erfolgt am 2. Strang diskontinuierlich (Polymerase wandert von der Gabelung weg, es entstehen zunächst in 5´-> 3´- Richtung kleine DNA-Stücke = Okazaki-Fragmente, die anschließend in 3´-> 5´- Richtung verknüpft werden.)
DNA-Polymerase benötigt für den Beginn Startermoleküle mit freien OH-Gruppen (=Primer).

20

Zellwand

4.3 Bakterien & Viren als Forschungsobjekte

SchleimKapsel

Zellmembran mit Mesosomen

4.3.1 Bakterien – Allgemeines Vorteile: - einfach gebaut (Prokaryonten) - leicht kulutivierbar -> gr. Anzahl an Nachkommen - Mutanten sind leicht erkennbar

Plasmid

Geißel

Kokken Bazillen

Ribosomen

Streptokokken Vibrionen

DNA

Spirillen

Typische Kennzeichen: - kein echter Zellkern - kaum Zellorganellen - kleinere Ribosomen - Zelle ca. 10 000x kleiner als tier. Zellen
Prokaryonten 4.3.2 Nachweis & Selektion von Mutanten J. Lederbug und E. Tautum: Selektion v. Aminosäuremangelmutanten bei E. coli Aminosäuremangelmutanten wachsen nicht mehr auf Minimalagar (nur Zucker, stickstoffhaltige Salze), da sie e. od. mehrere AS aufgrund e. Enzymdefektes nicht mehr selbst synthetisieren können (Vollager: + 20 AS). Identifizieren: -

Ausplatieren auf Vollagarplatten Kolonienmuster mit Samtstempel übertragen auf 20 Minimalagarplattern, von denen jede nur 1 der AS enthält  Kolonie fällt auf d. anderen 19 Platten aus 4.3.3 Konjugation u. Rekombination bei Bakterien Versuch v. Lederberg & Tatum: Mischen von 2 Doppelmutanten-Stämmen: A:

phe-; cysthr+; leu+

B:

thr-; leuphe+; cys+

GEMISCH Ausplatieren auf Minimalagar

kein Wachstum

kein Wachstum

Wachstum 21

Erklärung :

Konjugation und Rekombination a) b)

F+-Zelle Spender /Donator A B c

F+

b)

F—Zelle Empfänger /Akzeptor a b C

Fc

C

b

B

a

A

A B c

c B A

DNA wird übertragen als a) Kopie d. F+-Faktors (Meist bei Resistenz) b) Kopie d. Spenderbakterien-DNA: Hfr-Stämme (high frequency of recombination) F-Plasmid ist in Bakterienchr. eingebaut -> Genaustauschhäufigkeit erhöht Teile d. F-Faktors und Gene des Bakterienchr. werden auf Empfänger übertragen. Nach d. Konjugation ist e. Genaustausch (=Rekombination) möglich. Da nicht der gesamte F-Faktor übertragen wird, bleibt d. Empfänger F-. Bedeutung: Kartierung d. Bakteriengenoms Übertragung v. Resistenzgenen: R-Plasmide enthalten mehrere Gene für Resistenz (gegen Antibiotika & Sulfonamide), für d. DNA-Replikation und für d. Konjugationsapperat.


Gene können auf Zellen d. gleichen u. versch. Spezies übertragen werden, wodurch sich Resistenzen in e. Kolonie ausbreiten können. 4.3.4 Viren – Allgemeines

DNA

a) Bau e. Bakteriophagen

Proteinhülle / Capsoid

Kennzeichen: - bestehen nur aus Nucleinsäuren (DNA/RNA) & Proteinen

Kragen

Schwanzstift Schwanzrohr Schwanzfäden

- sind keine Lebewesen

Endplatte mit Spikes

22

b) Vermehrung e. virulenten Phagen (lytischer Zyklus) 1.) Adsorption mit d. Strukturen d. Endplatte rastet d. Phage mit d. Rezeptoren auf d. Bakterienwand ein.

4.) DNA-Replikation Phagen-DNA schließt sich zum Ring & wird aus Nukleotiden d. Bakteriums vielfach vermehrt.

2.) Injektion Schwanzstift durchdringt d. Zellwand: PhagenDNA gelant ins Bakterium (DNA nicht nachweisbar)

5.) Proteinsynthese Gene in Pagen-DNA steuern Synthese v. Proteinen für Phagenköpfe, -Schwänze, ...

3.) Synthese v. Phagenenzymen Phagen-DNA steuert d. Synthese v. Enzymen, die d. Bakterien-DNA abbauen und d. PhagenDNA replizieren

6.) Zusammenbau 7.) Lyse Bakterienwand wird durch Enzym (Lysozym) aufgelöst -> 30 – 100 Viren

c) Vermehrung e. temperenten Phagen (lysogener Zyklus) Wirtszelle wird nicht sofort zerstört Injektion d. Phagen-DNA u. Integrieren als Prophage in Bakterienchr. an e. best. Stelle

4.3.5 Transduktion (Genübertragung durch Viren) (AB) 4.4 Bau & Bedeutung v. Proteinen Proteine oder Eiweißstoffe sind org. Maktromoleküle (Polymere), d. aus Aminosäuren aufgebaut sind.

4.4.1 Aminosäuren α-Aminocarbonsäuren (N-haltige organ. Säuren) allg. Formel: COOCOO+ OH | | H2 N – C – H H3 N – C – H Säurewirkung | | R R
Pufferwirkung

+ H+ Basenwirkung

COOH | H3 N – C – H | R

4.4.2 Peptide und Proteine Einteilung:

- Peptide (2 – 100 AS) ° Oligopeptide (2 – 9 Monomere) ° Polypeptide (10 – 100 Monomere) - Protein (> 100 Monomere)

Die Verknüpfung d. AS erfolgt zw. d. Carboxylgruppe der einen u. d. Aminogruppe d. zweiten AS (=> Peptidbindung).

23

H | O H2N – C – C + | OH R1 -> H2O

H | N–C–C H | R2

H

H O H || | O | H2 N – C – C – N – C - C | | | OH H R2 R1

O OH

Peptidbindung Struktur der Proteine: 1. Primärstruktur Reihenfolge der AS in e. Polypeptid (= AS-Sequenz), sie ist genetisch fixiert 2. Sekundärstruktur Räumliche Anordnung d. Polypeptidkette Ursache: Wasserstoffbrückenbindungen zw. d. Sauerstoff d. Carboxylgruppe und d. Wasserstoff d. NH-Gruppe aus einander gegenüberliegenden Peptidbindungen 3. Tertiärstruktur Räumliche Anordnung d. α-Helix bzw. Faltblattsturktur 4.Quartärstruktur Häufig treten mehrere in d. Tertiärstruktur vorliegenden Peptidketten zu komplexen Proteineinheiten zusammen. 4.5 Der molekulargenetische Genbegriff Gregor Mendel: 1 Erbfaktor bestimmt ein Merkmal, Ein-Gen-ein-Phän-Bedeutung Versuch von Beadle & Tatum (1941): Objekt: Schimmelpilz Neurospora crassa Durch Bestrahlung wurden Mutanten erzeugt, die im Gegensatz zum Wildtyp auf Minimalnährmedium nicht wuchsen.

Ergebnis: Mangelmutante Stamm I Stamm II Stamm III

Ornithin (AS) +

Gen a | Enzym 1 Vorstufe

Citrullin (AS) + + Gen b | Enzym 2

-

Gen c | Enzym 3

Ornithin Syntheseschritt A

Arginin (AS) + + +

Citrullin B

Arginin C

Fällt durch Mutation 1 Gen aus, wird das zugehörige Enzym nicht mehr gebildet -> Stoffwechselblock an dieser Stelle (siehe Genwirkkette)
Ein–Gen–ein–Enzym-Hypothese aber:

- manche Enzyme bestehen aus mehreren Polypeptidketten - Gene führen auch zur Bildung von Poypeptiden ohne Enzymcharakter


Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese 13

4.6 Proteinbiosynthese Die Nukleotidsequenz in e. Gen (=DNA-Abschnitt) bestimmt d. AS-Seqenz. Die Umsetzung d. genet. Information erfolgt an d. Ribosomen im Cytoplasma.

4.6.1 Ribonukleinsäuren und Ribosome

40 S-Untereinheiten Euk. mRNA

a) Ribosome: - 1/3 Proteine; 2/3 ribosomale RNA - bei Eukaryonten: meist am endoplasmat. Ritikulum - bei Prokaryonten: freies Vorkommen - Ort der Translation

60 S-Untereinheiten

b) Ribonukleinsäuren: - nur ein Nukleotidstrang - viel kürzer als DNA - Ribose statt Desoxyribose und Uracil statt Thymin im Nukleotid 3 Arten: * mRNA: messanger-/Boten-RNA, langgestreckt, Abschrift v. DNA-Teilen * rRNA: ribosomale RNA, aufgeknäult, Baueinheit d. Ribosomen * tRNA: transfer-RNA/Transport-RNA ---------->

ASBindekette Anlagerungsstelle d. Ribosomen

Erkennungsregion für Synthetase

4.6.2 Ablauf der Proteinbiosynthese a) Transkription und genet. Code

Anticodon – komplimentär zum Codon d. mRNA

I. Transkription: Hierbei wird e. Abschrift d. DNA als einsträngige mRNA hergestellt. Ablauf: -

Enzym RNA-Polymerase (=Transkriptase) entspiralisiert und öffnet d. DNA-Doppelstrang ab der Startstelle (=Promotor) Enzym kann nur in 3´->5´-Richtung wandern; nur ein Strang d. DNA dient als Matrize (= codogener Strang) unter Beachtung d. Basensequenz lagern sich d. RNA-Bausteine an RNA wächst vom 5´-> 3´Ende und verlässt DNA in Richtung Cytoplasma. An d. Stoppstelle (= Terminator) löst sich d. Enzym von d. DNA ab.

-

RNA-Polymerase

RNA-Bausteine ATP, GTP, CTP, UTP

3´ 5´

Terminator

Promotor

5´ mRNA Codestrang 14

5´

Codestrang

3´

codogener Strang

II.

Der genet. Code

Ein Basentriplett (3 Nucleotide) kodiert für e. AS
43 = 64 Möglichkeiten Ein Triplett d. mRNA wird auch Codon genannt. Afg.:

3´ 5´

CTG GCT ACT GAC CCG CTT CTT CTA TC GAC CGA UGA CUG GGC GAA GAA GAU AG

5´ 5´

GGATC GGAUC

3´ 3´

5´ 3´

DNA mRNA

Code-Strang DNA Code-Strang mRNA

Eigenschaften d. genet. Codes - degeneriert: mehrere Tripletts kodieren e. Aminosäure - er ist kommafrei - nicht überlappend - universell: d.h. f. jedes Lebewesen gilt d. Codesonne

III.

Translation

Der genet. Code d. mRNA wird in e. Abfolge v. AS übersetzt, hierzu sind d. tRNA und d. Ribosomen nötig. 1. Schritt:

AS + tRNA  Synthetase  AS-tRNA (energieverbrauchend)

2. Schritt:

Beladene tRNA u. mRNA wandern zu d. Ribosomen, kleine Untereinheit d. Ribosomen lagert sich an Startcodon an. Methionin-tRNA dockt mit ihrem Anticodon an P-Bindungsstelle; große Untereinheit tritt hinzu -> Ribosom funktionsfähig

3. Schritt:

Kettenverlängerung: Bindung d. passenden beladenen tRNA an d. A-Bindungsstelle, Verknüpfung d. 2 AS  Dipeptid, leere tRNA wird frei. Ribosom rückt um e. Basentriplett auf mRNA weiter (in 3´-Richtung), zweite tRNA gelangt auf P-Bindungsstelle, nächste beladene tRNA gelangt auf A-Bindungsstelle

4. Schritt:

Kettenabbruch: kommt d. Ribosom zum Stopp-Codon, so fällt es von mRNA ab -> Primärsturktur d. Proteins (automat. Ausbildung d. Raumstruktur) An jedes mRNA-Molekül binden gleichzeitig mehrere Ribosomen zur Proteinsynthese (= Polysome)

4.6.3 Proteinbiosynthese bei Eukaryonten Eukaryontische Gene sindgestückelt (Mosaikgene): Codierende Abschnitte (Exons) sind durch n ichtcodierende (Introns) getrennt. Die Introns werden im Verlauf d. Transkription eliminiert
Prozessierung d. mRNA DNA Transkription

prä – mRNA Intron

Intron

15

Poly-4-Schwanz

5´

(cap)

Exon 1

Exon 2

Exon 3 Spleißen durch Spleißosom (=Snurps)

Ausschleußen aus d. Zellkern

reife mRNA

TRANSLATION

4.7 Genmutation Def.:

Sprunhafte ungerichtete (= zufällige) Veränderung d. genet. Information in e. Gen. (Punktmutation: nur eine Base betroffen)

Mutationsrate:

1 : 10 000

-

1 : 100 000

4.7.1 Ursachen und Folgen a) Replikationsfehler Fehlerhafte Basenpaarung (zuviel, zuwenig, falsche) bei d. DNA-Replikation betrifft zunächst nur einen Strang, bei weiterer Replikation wirkt sich d. Fehler auf den Doppelstrang aus. Mögliche Veränderung d. Basensequenz: •

Basenaustausch (= Substitution) -

•

keine Veränderung sinnverändernd (-> and. AS) sinnentstellend (Stoppcodon)

Basenverlust ( = Deletion) / - einschub (= Insertion)

Von d. Stelle d. Mutation ab ändert sich d. Leseraster d. nachfolgenden Codons, je weiter vorne im Gen d. Mutation erfolgt, desto größer ist d. Sinnveränderung. b) Mutagene Substanzen und Strahlen •

chemische Substanzen

•

Strahlungen (z.B.: UV-Strahlung: Vernetzung von zwei benachbarten Thymin-Molekülen im selben

- Nitrosamine (salpetrige Säure) bewirken Umwandlung d. DNA-Basen: Cytosin -> Uracil Adenin -> Hypoxathin (paart sich mit C!) - Basenanaloga (z.B.: Bromuracil) - Teerstoffe u. Acridinfarbstoffe: Moleküle mit Ringsystem schieben sich in ruhender DNA zwischen d. Nukleotide, bei der nächsten Replikation wird e. neue, beliebige Base eingelagert. Einzelstrang); and. Strahlen können zu Radikalen führen.

4.7.2 Reperaturvorgänge Es existieren untersch. Mechnismen d. DNA-Reperatur (z.B.: Excisions-Reperatur, Fotoaktivierung, SOS-Reperatur)

16

4.8 Regulation d. Genaktivität Die Genaktivität unterliegt e. Kontrolle, d. dazu führt, dass jeweils nur d. benötigten Proteine synthetisiert werden. aktives Zentrum

4.8.1 Bau und Wirkungsweise von Enzymen Enzyme = Biokatalysatoren, erhöhen d. Reaktionsgeschwindigkeit e. biochem. Reaktion, indem sie d. chem. Gleichgewicht schneller einstellen & d. Aktivierungsenergie herabsetzen.

Protein evtl.: allosterisches Zentrum

Enzyme sind - substratspezifisch: e. Enzym kann nur e. best. Substrat umsetzen (-> Schlüssel-Schloss-Prinzip) - wirkungsspezifisch: gebundenes Substrat wird nur in e. ganz best. Art u. Weise umgesetzt. z.B.: Ethanol Decarboxylase Brenztraubensäure Reduktase

Milchsäure

Hemmung d. Enzymwirkung: a) kompetitive Hemmung: Hemmstoff ist d. Substratmolekül sehr ähnlich -> Konkurrenz um aktives Zentrum

b) allosterische Hemmung: Hemmstoff lagert sich außerhalb d. aktiven Zentrums an e. zusätzliche Bindungsstelle an -> Strukturveränderung d. Proteins: Substrat passt nicht mehr ins aktive Zentrum

c) irreversible Hemmung: Veränderung d. Tertiärstruktur durch: - Temperatur - pH-Wert - Schwermetalionen (Pb2+, Hg2+, Cyanid)

4.8.2 Regulation d. Enzymaktivität negative Rückkopplung

E1 A

E2 B

E3 C

Direkte Endprodukthemmung d. Enzymaktivität

D Endprodukt


Bakterien stellen auf Minimalmedium d. Eigenproduktion von AS ein, wenn diese angeboten werden. E1:

allost. Enzym, mind. 2 Bindungsstellen

Effektor:

Stoff, der die Enzymaktivität beeinflusst | | Aktivator Inhibitor fördernd Laktose

hemmend Endproduktrep.

4.8.3 Jacob – Monod – Modell

(AB)

(Regulation d. Genaktivität bei Bakterien)

Regulation d. Transkription: - durch e. Endprodukt - durch e. abzubauendes Substrat 17

5. Aspekte der Gentechnik Def.:

Gentechnik sind alle Verfahren, mit denen man DNA isoliert, zerlegt, neukombiniert und in Empfängerzellen aktiv werden lässt.

5.1 Gewinnung von gentechnisch veränderten Bakterien Bsp.:

Einschleußen d. Insulin-Gens in E. coli (s. AB)

1.) Isolierung d. DNA d. Spenderorganismus & Zerlegung in Fragmente passender Größe durch Enzyme: Restriktionsendonukleasen = Restriktionsenzyme (= R-Enzyme, genet. Scheren); schneiden d. DNA spez. an best. Stellen (Folge 4-6 Basen). Die Erkennungssequenz/-region zeigt häufig e. spez. Symmetrie (= Palindrome). z.B.: Eco R I 5´ 3´

5´ 3´

CATGAATTCTTC GTACTTAAGAAG

CATG GTACTTAA

3´ 5´

3´ 5´

5´ 3´

AATTCTTC GAAG

3´ 5´

sticky ends 2.) + 3.) schneidet man DNA mit denselben Restriktionsenzymen (RE), so könen sich deren sticky ends miteinander verbinden
DNA-Fragmente versch. Organismen können miteinander verknüpft werden. Geeignete Transportmoleküle (= Vektoren, Genführen): Viren, Plasmide (ringförmige DNA 10x leichter aufgenommen) nötige Eigenschaften:

- replizierbar (origins of replication = ori) - einfach isolierbar - nicht zu groß (bis 10 kb) - geeignete Schnittstelle für RE (nichts Überlebenswichtiges dort) - sollten Markergene enthalten (z.B.: Antibiotika-Resistenz) -> Selektionsvorteil f. Wirtszelle -> selektive Vermehrung möglich

4.) + 5.) AB 6.) + 7.) Identifizierung und selektive Vermehrung v. rekombinanter DNA (= Klonierung von DNA): * Bakterien auf Nährbode mit Ampicilin ausplatieren -> nur Kolonien durch Bakterien, die d. Plasmid aufgenommen haben. * Koloniemuster mit Samtstempel auf Nährboden mit Tetracyclin übertragen -> Bakterien mit Hybridvektor bilden keine Kolonien * Vergleich d. Koloniemuster führt zu Identifizierung -> Übertragen in Nährlösung & Vermehrung

II. Immunbiologie 1. Allgemeines Hauptaufgaben: - Schutz vor Krankheitserregern (Erkennen & Vernichten) - Zerstörung schädlicher Fremdstoffe - Beseitigung entarteter Körperzellen Entscheidend für d. Abwehr ist d. Fähigkeit, körperfremde von Körpereigenen Materialien zu unterscheiden.

18

1. Unspezifische Abwehr (= angeborene Resistenz) besitzen alle vielzelligen Tiere, bestehend aus Körperhülle (Haut, Schleimhäute, Sekrete wie Schweiß), Phargocytose (Fresszellen) 2. Spezifische Abwehr (= Immunsystem) nur bei Wirbeltieren, wird im Lauf d. Lebens erworben, Abwehr mit Hilfe von Antikörpern und Lymphozyten

2. Das Immunsystem des Menschen Thymus(-düse) -> T-Lymphocyten Knochenmark -> B-Lymphocyten Milz Rachen- & Gaumenmandeln Wurmfortsatz Lymphknoten Lymphgefäßsystem Lymphocyten, Maktrophagen

primäre Lymphorgane: in ihnen entstehen d. Zellen d. Immunsystems sekundäre Lymphorgane: durch sie fließt Lymphe

Zellen des Immunsystems

Das Lymphgefäßsystem transportiert Serumflüssigkeit (H2O, Eiweiß, Salz) ab, die aus den Blutkapillaren ausgepresst wurde. Mitgeschwemmte Erreger werden von Lymphknoten abgefangen das gefilterte Serum gelangt zurück in d. Venen.

Zellen des Immunsystems Stammzellen des Knochenmarks Vorläuferzellen

Vorläuferzellen

(Fresszellen)

(Lymphocyten)

| | | Granulo- Mast- Makrocyten zellen phagen

| im Knochenmark | B-Lymphocyten | |

Fresszellen

Gedächtniszellen

Plasmazellen

Lymphocyten

19

| T-Lymphocyten | | |

T-Helfer T-Killer T- Unterzellen zellen drückerz.

| Antikörper

Leucocyten

| im Thymus

AntigenBindungsstelle

variable

3. Die Antikörper

Disulfidbrücken

Bau eines Antikörpers

leichte Kette

konstante Region

Antikörper (= Immunglobuline Ig): Proteine, d. mit e. best. Antigen (= Antikörper generierende [herstellende] Struktur) reagieren können. Sie sind im Blutplasma gelöst oder an d. Oberfläche von weißen Blutkörperchen gebunden.

Ig G - Molekül

schwere Kette

auch noch Ig M, Ig A, Ig P, Ig E

Genetik d. Antikörpervielfalt: Im Erbgut sind fertige Gene nur für d. konst. Abschnitte d. Antikörper vorhanden. Für die variable Region werden viele kleinere Genabschnitte miteinander kombiniert.

*Bildung der Leichtkette: Antikörper-Gen beinhaltet: kodiert für

C - Abschnitt J – Abschnitt (joining-verbindend) V – Abschnitt (variable – versch.)

4 Gensegmente 300 -„-

konst. Region variable R.

dazwischen liegen Introns. Während d. B-Zellen-Reifung wird daraus d. eigentl. Gen zusammengesetzt (-> s. AB: Somat. Rekombination)

*Bildung der Schwerkette: Siehe Leichtkette, allerdings ca. 1000 V-Segmente, J-Segmente, 12 D-Segmente (diversity – Vielfalt), 1 C-Segment => 48 000 Schwerketten 1200 * 48 000 ~ 107 -> erhöhte Mutationsrate -> 108

Antigen – Antikörper-Reaktion Antigen:

Alle Strukturen, d. e. Antwort d. Immunsystems auslösen können * frei beweglich

* Zellteile

*an Zellen gebunden

Molekülabschnitte, die als Antigene wirken, werden als Epitope oder antigene Determinanten bezeichnet. Antigen und Antikörper passen streng spezifisch zueinander  Immunkomplex oder Antigen-Antikörper-Komplex -

Agglutination zellgebundene Antigene & Antikörper verklumpen Präzipitation lösliche/freie Antigene & Antikörper reagieren -> fallen aus Neutralisation sensible Stellen e. Antigens werden von Antikörpern besetzt

20

Ablauf einer Immunreaktion am Bsp. Virusinfektion 1)

Virus wird von Makrophage gefressen (= Phagocytose) & in Bruchstücke zerlegt (Antigene).

2)

Bruchstücke werden von Antigenpräsentiermolekülen oder MHC-Molekülen (major histocompatibility complex) an der Oberfläche gebunden und präsentiert.

3)

Ruhende T-Killerzellen & Helferzellen mit pass. Rezeptor lagern sich an d. Antigen an.

4)

Anregung z. Zellteilung & Differenzierung (= klonale Vermehrung)

5)

T-Helferzellen senden Botenstoffe

6)

Aktivierung v. spez. T-Killer-, T-Gedächtinis-, T-Unterdrückerzellen

7)

- Lyse: mit Enzym wird befallene Zelle aufgelöst durch T-Killerzelle - T-Unterdrückerzelle schaltet Immunantwort allmählich ab - T-Gedächtniszelle speichert Muster des Antigens

8)

B-Lymphocyten phargocytieren Virus & präsentieren Virus-Antigene

9)

T-Helferzellen binden mit spez. Rezeptor an präsentiertes Antigen-Bruchstück: Kontakt -> Botenstoffe -> Klonierung & Differenzierung d. B-Lymphozyten zu B-Gedächtnis- & BPlasmazellen

10)

B-Plasmazellen produzieren spez. Antikörper, diem it d. Virus...

11)

den Antigen-Antikörper-Komplex bilden.
Komplex wird von Maktrophagen verdaut. c(Antikörper)

Phasen d. Immunantwort: Erkennungsphase - Differenzierungsphase - Wirkungsphase - Absterbephase 20

40

Monoklonale Antikörper: chem. identisch, von gleichen B-Zellen produziert Maus mit best. Antigen immunisiert -> aktivierte B-Lymphozyten aus d. Milz entnommen

mutierte Tumor-B-Lymphozyten (unbegrenzt oft: Teilung) verschmelzen

Hybridzellen

↓ Nährlösung mit ursprüngl. Antigen
Selektion
Klonbildung

4. Impfung a) aktive Immunisierung Abgeötete oder abgeschwächte Erreger werden injiziert
Anregung zur Antikörperproduktion
keine Krankheit aber auch Produktion v. Gedächtniszellen (Immunität wirkt für längere Zeit vorbeugend) b) passive Immunisierung Bildung d. Antikörper erfolgt durch e. anderes Lebewesen; dessen Antikörper-haltiges Serum wird in den Körper injiziert; dient v.a. zur Heilung bereits ausgebrochener Infektionskrankheiten. 21

60

Tage